Neuauslegung einer Kaplan-Turbinen-Hydraulik

Für ein mittelständisches Unternehmen wurde für Kraftwerk im vorderen Orient die Neuauslegung einer Kaplan-Turbinen-Hydraulik (Kaplan-Turbine) durchgeführt.

Die Grundauslegung der Schaufel erfolgte 1-dimensional auf 6 Teilfluträdern. Die Ausgangsgeometrie für die 3D-Rechnung wurde mit dem Scholz-Czibere-Verfahren gefunden, einem Singularitätenverfahren, welches am Institut für Hydraulische Strömungsmaschinen programmiert und in den vergangenen Jahren häufig und erfolgreich zur Auslegung von Kaplan-Laufschaufeln verwendet wurde. Schaufel- bzw. Profillänge wurden mittels der Thomann-Anhalte für vertikale Kaplanturbinen bestimmt, die sich nach unserer Beobachtung als Ausgangsgrößen immer wieder bewähren und relativ leicht optimiert werden können. Die Konstanten zur Bestimmung der Dicken- sowie Quellfunktion wurden an Erfahrungswerte des Instituts für Hydraulische Strömungsmaschinen angelehnt.

Für die Kaplan-Turbinen-Hydraulik wurde ein maximaler Gesamtwirkungsgrad von knapp 93% erzielt. Darüber hinaus ist der Verlauf des Gesamtwirkungsgrades wesentlich flacher ausgeprägt als bei allen anderen zuvor präsentierten Schaufelvarianten. Bemerkenswert ist auch, dass der Wirkungsgradverlauf der Originalschaufel bis zu einem Durchfluss von Q=72.5m³/s erreicht wird. In einem Durchflussbereich von Q=50m³/s bis Q=60m³/s gehen im Laufrad nur noch etwa 4.25 Prozentpunkte an Wirkungsgrad verloren. Die verbesserte Laufradabströmung führt im Vergleich zu allen anderen untersuchten Schaufelvarianten zu einer sanfteren Zunahme der Saugrohrverluste in Überlast.

Um die Kavitationsempfindlichkeit [Kavitation...] der neu entwickelten Laufschaufel zu bewerten, wurde das für den garantiert kavitationsfreien Betrieb der Laufschaufel erforderliche Sigma (Sigma-pHisto0.005) mit dem von der Anlage vorgegebenen Sigma (Sigma vorhanden) verglichen.

Die kleine Grafik in Abbildung 18 zeigt die Druckverteilung (normiert) an den Strömungsflächen der Laufschaufel (Druckseite und Saugseite). Deutlich zu erkennen ist eine weitgehend homogene Druckverteilung im Bereich der Eintrittskante sowohl auf der Druckseite als auch auf der Saugseite.